Sputtering magnetrônico: O método mais comum de PVD

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A resposta curta

A pulverização catódica por magnétron é o método de PVD mais amplamente usado em ambientes de produção. Ele funciona criando um plasma próximo a um material-alvo (a fonte) e, em seguida, usando ímãs para prender os elétrons perto da superfície do alvo. Isso torna o plasma mais denso, permitindo a deposição em pressões mais baixas e taxas mais altas do que com a simples pulverização catódica.

Se você trabalha na fabricação de semicondutores, na produção de revestimentos ópticos ou em aplicações de revestimentos duros, é quase certo que já utilizou a pulverização catódica por magnetron.

Como funciona

A pulverização catódica por magnétron baseia-se na pulverização catódica básica com uma adição importante: ímãs.

Sputtering básico (sem ímãs): aplica-se uma alta tensão entre um alvo (cátodo) e o substrato (ânodo) em um ambiente de gás de baixa pressão - geralmente argônio. A tensão ioniza o gás argônio. Os íons positivos de argônio aceleram em direção ao alvo carregado negativamente e derrubam os átomos de sua superfície. Esses átomos viajam até o substrato e formam um filme fino.

O problema: a maioria dos elétrons liberados do alvo escapa imediatamente. O plasma permanece fraco. As taxas de deposição são baixas.

A pulverização catódica por magnetron adiciona ímãs. Um forte conjunto de ímãs atrás do alvo cria um campo magnético que prende os elétrons perto da superfície do alvo. Os elétrons aprisionados ionizam mais átomos de argônio. Mais íons de argônio atingem o alvo. Mais átomos do alvo se soltam.

O resultado: as taxas de deposição aumentam em um fator de 10 a 100 em comparação com o sputtering simples. Você também pode operar com pressões mais baixas - até 10^-3 Torr em vez de 10^-1 Torr - o que significa menos colisões de gás e filmes mais limpos.

Gupta, Jyothi & Shaik, Habibuddin & Kumar, Kilari. (2021). Uma revisão sobre a proeminência da porosidade em filmes finos de óxido de tungstênio para eletrocromismo. Ionics. 27. 1-28. 10.1007/s11581-021-04035-8.

O problema da trilha de erosão

O campo magnético não é uniforme. Ele é mais forte em um circuito fechado na superfície do alvo. Os elétrons ficam presos ali. O plasma se concentra ali. A erosão ocorre ali.

Isso cria uma característica racetrack - umaranhura de erosão em forma de anel na superfície do alvo.

O que isso significa para você:

• A utilização do alvo é limitada. Um alvo de magnétron planar típico usa apenas 25% a 35% de seu material antes que a erosão atinja a placa de apoio.
• O restante do alvo não é tocado. Você o joga fora.
• Essa é a principal desvantagem do sputtering com magnétrons. Os alvos rotativos resolvem esse problema, mas têm suas próprias desvantagens.

Parâmetros-chave que importam

Se estiver especificando ou operando um sistema de pulverização catódica com magnétrons, estes são os parâmetros que você precisa controlar.

Tipo de fonte de alimentação. A energia CC funciona para alvos condutores (metais). A energia de RF funciona para alvos isolantes (cerâmicas, óxidos). A CC pulsada é um meio-termo que funciona para sputtering reativo. Cada um deles tem seu próprio artigo nesta série.

Pressão. A pressão operacional típica para pulverização catódica com magnetron é de 2 a 20 mTorr. Uma pressão mais baixa gera menos colisões de gás e filmes mais densos, mas a deposição é mais lenta. Uma pressão mais alta gera mais dispersão e deposição menos direcional.

Material do alvo: a pureza, o tamanho do grão e a densidade afetam a qualidade do filme. Um alvo poroso expele partículas. Um alvo de granulação grossa sofre erosão irregular.

Polarização do substrato. A aplicação de uma tensão negativa ao substrato atrai íons positivos durante a deposição. Isso densifica o filme e melhora a adesão, mas também pode aumentar a tensão do filme.

Vantagens do Magnetron Sputtering

Alta taxa de deposição. O confinamento magnético torna a pulverização magnetrônica muito mais rápida do que outros métodos de pulverização.

Baixo aquecimento do substrato. A maior parte da energia permanece no plasma próximo ao alvo, e não no substrato. É possível depositar filmes em materiais sensíveis à temperatura, como plásticos.

Boa adesão.Os átomos pulverizados chegam com maior energia do que os átomos evaporados, o que significa melhor adesão ao filme.

Escalonável: o Magnetron sputtering funciona para pequenas amostras de pesquisa e grandes séries de produção. Os alvos individuais variam de 1 polegada a 3 metros de comprimento.

Filmes de ligas e compostos. Você pode pulverizar a partir de alvos de liga e obter a mesma composição no filme. Também é possível introduzir gases reativos (oxigênio, nitrogênio) para formar óxidos ou nitretos.

Limitações

Autilização do alvo é ruim. O efeito de pista de corrida desperdiça a maior parte do alvo. Essa é a maior reclamação sobre o sputtering planar com magnetron.

Deposição na linha de visão. Como todos os métodos de PVD, a pulverização catódica magnetrônica é um processo de linha de visão. Ele não é capaz de revestir eficazmente as faces posteriores de formas complexas ou trincheiras profundas.

Geração de partículas: O arco ou os defeitos no alvo podem gerar partículas que caem no substrato e causam defeitos. Essa é uma grande preocupação na fabricação de semicondutores.

Alvos isolantes requerem RF. Não é possível aplicar pulverização catódica em um isolante. Você precisa de energia de RF, que é mais cara e menos eficiente.

Aplicações comuns

Semicondutores: o Magnetron Sputtering deposita camadas de metal (alumínio, cobre, titânio, tântalo) e barreiras de difusão (TiN, TaN) na fabricação de chips.

Revestimentosópticos. Revestimentos antirreflexo , espelhos e filtros geralmente são feitos por magnetron sputtering devido ao controle da densidade e da espessura do filme.

Revestimentosduros. Os revestimentos de TiN, CrN e DLC em ferramentas de corte e moldes são aplicados por pulverização catódica com magnetron.

Revestimentos decorativos. As cores dourada, preta e arco-íris em caixas de relógios, torneiras e acabamentos automotivos são frequentemente pulverizadas por magnetron sputtering.

Células solares. Óxidos condutores transparentes (ITO, AZO) e contatos metálicos em células solares de película fina usam pulverização catódica com magnetron.

Pulverização catódica magnetrônica versus outros métodos de PVD

Para ambientes de produção em que a velocidade é importante, a pulverização catódica com magnetron ganha. Para pesquisas ou aplicações que exijam filmes extremamente lisos e sem partículas, a pulverização catódica por feixe de íons pode ser melhor - mas muito mais lenta.

O resultado final

O pulverizador catódico magnetrônico é o método padrão de PVD por um motivo. Ele é rápido, versátil e funciona em tudo, desde wafers de pesquisa de 2 polegadas até painéis de vidro arquitetônico de 3 metros.

A principal desvantagem - baixa utilização do alvo - é um custo real. Mas, para a maioria das aplicações de produção, a velocidade e a qualidade do filme justificam o desperdício. Se a utilização do alvo for sua principal preocupação, considere os alvos rotativos (abordados em um artigo separado).

Caso contrário, comece por aqui. A pulverização catódica magnetrônica é o método PVD mais comum porque, para a maioria dos trabalhos, é simplesmente a ferramenta certa.

Trazido a você por Stanford Advanced Materials, um fornecedor de alvos de pulverização catódica e materiais de evaporação.